CN204703887U - 测量振动在管柱中的传播规律的装置 - Google Patents
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Abstract
本申请实施例提供了一种测量振动在管柱中的传播规律的装置，该装置包括：模拟油管，包括直井段油管、造斜段油管和水平段油管；模拟套管，包括若干个第一接箍，所述直井段油管、所述造斜段油管和所述水平段油管通过所述第一接箍依次相连；振动激励装置，用于向所述模拟油管及所述模拟套管施加振动激励；振动传感器组，安装于所述模拟油管上，用于感应所述模拟油管及所述模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号；上位机，与所述振动传感器组电耦合，用于获取所述振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动在所述模拟油管及所述模拟套管中的传播规律。本申请实施例能够获得更为客观的振动波在管柱中的传播规律。
Description
技术领域
本申请涉及油气井工程领域的振动固井技术，尤其是涉及一种测量振动在管柱中的传播规律的装置。
背景技术
固井是钻完井作业过程中不可缺少的一个重要环节，它包括下套管和注水泥。固井技术是多学科的综合应用技术，具有系统性、一次性和时间短的特点。固井的主要目的是保护和支撑油气井内的套管，封隔油、气和水等地层。
目前较为常用的固井技术是振动固井，其是在下套管、注灰、顶替和候凝的过程中，采用机械振动、液压或空气脉冲、水力冲击等手段，产生振动波作用于套管、钻井液和固井液来提高固井质量的一项新技术。实践证明，振动可以提高水泥石强度，提高顶替效率，消除水泥中的气泡，形成完好的水泥环，还可以缩短候凝的时间，防止固井后的油、气、水混窜，利于提高一、二界面的胶结强度。
本申请的实用新型人发现，振动固井技术的开发更多的需要从机理出发，根据实际的工况采用不同的激振参数。为此，迫切需要对套管串固有频率和振动衰减特性进行机理探究，以指导振动固井工具及振动方法的设计。然而，目前国内外缺少对于振动波在套管中传播规律研究，已有的试验研究中通常是针对模拟的直井段，而没有考虑有造斜井段、水平井段等状况对振动波传播规律的影响。因此，现有技术对于振动波在管柱中传播规律的研究较为片面，难以客观反应的振动波在管柱中的传播规律。
实用新型内容
本申请实施例的目的在于提供一种测量振动在管柱中的传播规律的装置，以获得更为客观的振动波在管柱中的传播规律。
为达到上述目的，本申请实施例提供了一种测量振动在管柱中的传播规律的装置，包括：
模拟油管，包括直井段油管、造斜段油管和水平段油管；
模拟套管，包括若干个第一接箍，所述直井段油管、所述造斜段油管和所述水平段油管通过所述第一接箍依次相连；
振动激励装置，用于向所述模拟油管及所述模拟套管施加振动激励；
振动传感器组，安装于所述模拟油管上，用于感应所述模拟油管及所述模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号；
上位机，与所述振动传感器组电耦合，用于获取所述振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动在所述模拟油管及所述模拟套管中的传播规律。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
模拟扶正器，其套在所述模拟油管上且与所述模拟油管间隙配合。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，所述模拟扶正器为若干个第二接箍。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
第一电荷放大器，用于将所述振动传感器组获得的振动信号放大后转换成对应的电压振动信号，并将该电压振动信号进行滤波处理。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，所述振动激励装置包括：
信号发生器，用于输出激励信号；
功率放大器，用于将所述激励信号放大至设定值；
激振器，用于依据所述功率放大器放大后的激励信号输出对应的振动激励。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
第二电荷放大器，用于采集输入至所述激振器的激励信号；
对应的，所述上位机依据所述激励信号和所述振动信号来确定该振动信号所对应的机械振动在所述模拟油管及所述模拟套管中的量化传播规律。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，所述振动传感器组为若干个加速度传感器。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，还包括：
第一A/D转换器，用于将滤波处理后的电压振动信号转换成适于所述上位机处理的数字量。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置，第二A/D转换器，用于将所述第二电荷放大器输出的激励信号转换成适于所述上位机处理的数字量。
本申请实施例能够模拟直井段、造斜井段和水平井段，进而能够测量管柱固有频率及振动在直井段、造斜井段和水平井段的衰减特性，从而能够获得更为客观的振动波在管柱中的传播规律。同时本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置的设计简单、成本较低、装配方便。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本申请实施例的进一步理解，构成本申请实施例的一部分，并不构成对本申请实施例的限定。在附图中：
图1为本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置结构图。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本申请实施例做进一步详细说明。在此，本申请实施例的示意性实施例及其说明用于解释本申请实施例，但并不作为对本申请实施例的限定。
下面结合附图，对本申请实施例的具体实施方式作进一步的详细说明。
本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置包括模拟油管、模拟套管、振动激励装置、振动传感器组和上位机。
参考图1所示，其中，模拟油管11包括直井段油管11、造斜段油管12和水平段油管13。直井段油管11、造斜段油管12和水平段油管13通过第一接箍2依次连接固定，这些第一接箍2构成本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置的模拟套管。而直井段油管11上端可通过固定套筒4固定于比如实验室的天花板、墙壁或者其他物品上。
为与实际油井现场更为接近，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括模拟扶正器，其套在模拟油管上且与模拟油管间隙配合。本申请实施例中，模拟扶正器为若干个第二接箍3，如图1所示，直井段油管11的上部和下部分别套接有一个第二接箍3，水平段油管13的前部和后部分别套接有一个第二接箍3，一般的，造斜段油管12可根据需要选择是否安装第二接箍3。上述这些第二接箍3可对模拟油管11起到振动限位作用。其中，上述每个第二接箍3可通过支架或悬吊装置支撑固定。本申请实施例中，直井段油管11、造斜段油管12和水平段油管13的管径相同，例如均为DN25，直井段油管11和水平段油管13长度可以为均12.19米。而造斜段油管12的曲率为6(°)/30m～10(°)/30m较为适宜。
上述振动激励装置用于向模拟油管及模拟套管施加振动激励。如图1所示，该振动激励装置一般包括：
信号发生器，用于输出激励信号；
功率放大器，用于将激励信号放大至设定值；
激振器，用于依据功率放大器放大后的激励信号输出对应的振动激励。一般的，激振器的输出端直接接触模拟油管的一端。
本申请实施例中，振动传感器组安装于模拟油管上，用于感应模拟油管及模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号。该振动传感器组一般是由多个振动传感器组成，每个振动传感器作为一个振动测点，这些振动测点一般均布于模拟油管上，且每个井段至少设有一个振动测点。其中，所述振动传感器可以是位移传感器、速度传感器、加速度传感器等。
本申请实施例中，上位机与振动传感器组电耦合，用于获取振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动在模拟油管及模拟套管中的传播规律。
本申请实施例中，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
第一电荷放大器，用于将振动传感器组获得的振动信号放大后转换成对应的电压振动信号，并将该电压振动信号进行滤波处理，以滤除无用的频率成分。
在上位机本身未集成有接收模拟信号并将其转换成数字信号的功能的前提下，本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置还可以包括第一A/D转换器，用于将滤波处理后的电压振动信号转换成适于上位机处理的数字量。当然，可不配置该第一A/D转换器。
本申请实施例中，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：第二电荷放大器，用于采集输入至激振器的激励信号。对应的，上位机可依据激励信号和振动信号来确定该振动信号所对应的机械振动在模拟油管及模拟套管中的量化传播规律。
当然，在上位机本身未集成有接收模拟信号并将其转换成数字信号的功能的前提下，本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置还可以包括第二A/D转换器，以将第二电荷放大器输出的激励信号转换成适于上位机处理的数字量。
下面以多个加速度传感器所组成的振动传感器组为例，来说明本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置的测量方法。
首选，获取振动信号。根据所需振动频率和幅值，由信号发生器提供激励信号，激励信号通过功率放大器放大至设定值后驱动激振器，激振器锤击模拟油管一端，致使模拟油管产生机械振动，机械振动以模拟油管作为传播介质并沿着模拟油管的延伸方向传递振动，这时位于模拟油管上的振动传感器组就会感应这些振动并将转换成对应的振动信号。这些振动信号经第一电荷放大器和第一A/D转换器后，上位机则可读取这些振动信号。
然后，根据振动信号获取振动传感器组中各个振动传感器的振动位移。以多个加速度传感器所组成的振动传感器组为例，上位机在读取到某一加速度传感器输出的加速度信号后，经过一次积分运算可获得对应速度信号，再对获得的速度信号进行一次积分运算则可获得该加速度传感器所对应的位移，如此，最终可获得每个振动测点的位移，从而依据各个振动测点的位移得出振动在模拟油管和模拟套管中的衰减特性。
本申请实施例的测量方法还包括以下步骤：
对振动信号进行频谱分析，分析的结果可在上位机的显示屏显示，其峰值所对应的频率即为模拟油管的固定频率。本申请实施例的测量方法中，频谱分析和衰减特性分析的过程可并行处理，也可以串行处理。其中，串行处理可以先进行频谱分析再进行衰减特性分析，或者反过来。
本申请实施例的测量方法中，当上位机获得第二电荷放大器输出的激励信号后，该上位机可依据激励信号和振动信号来确定该振动信号所对应的机械振动在模拟油管及模拟套管中的量化传播规律。即通过频谱分析得出激振器输入和获得的振动信号中的各个频率成分和频率分布的范围，比如通过幅度谱表征各个频率成分的幅值分布，并通过功率谱表征能量随频率的分布情况，从而得到主要幅值和能量分布的频率值，而对比激励信号和振动信号的各个频率中的幅值和能量分布，可对衰减特性进行量化。
本申请实施例能够模拟直井段、造斜井段和水平井段，进而能够测量管柱固有频率及振动在直井段、造斜井段和水平井段的衰减特性，从而能够获得更为客观的振动波在管柱中的传播规律。同时本申请实施例的测量振动在管柱中的传播规律的装置的设计简单、成本较低、装配方便。
本领域技术人员还可以了解到本申请实施例列出的各种说明性逻辑块、单元和步骤可以通过硬件、软件或两者的结合来实现。至于是通过硬件还是软件来实现取决于特定的应用和整个系统的设计要求。本领域技术人员可以对于每种特定的应用，可以使用各种方法实现所述的功能，但这种实现不应被理解为超出本申请实施例保护的范围。
本申请实施例中所描述的各种说明性的逻辑块，或单元都可以通过通用处理器，数字信号处理器，专用集成电路(ASIC)，现场可编程门阵列或其它可编程逻辑装置，离散门或晶体管逻辑，离散硬件部件，或上述任何组合的设计来实现或操作所描述的功能。通用处理器可以为上位机，可选地，该通用处理器也可以为任何传统的处理器、控制器、微控制器或状态机。处理器也可以通过计算装置的组合来实现，例如数字信号处理器和上位机，多个上位机，一个或多个上位机联合一个数字信号处理器核，或任何其它类似的配置来实现。
本申请实施例中所描述的方法或算法的步骤可以直接嵌入硬件、处理器执行的软件模块、或者这两者的结合。软件模块可以存储于RAM存储器、闪存、ROM存储器、EPROM存储器、EEPROM存储器、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM或本领域中其它任意形式的存储媒介中。示例性地，存储媒介可以与处理器连接，以使得处理器可以从存储媒介中读取信息，并可以向存储媒介存写信息。可选地，存储媒介还可以集成到处理器中。处理器和存储媒介可以设置于ASIC中，ASIC可以设置于用户终端中。可选地，处理器和存储媒介也可以设置于用户终端中的不同的部件中。
在一个或多个示例性的设计中，本申请实施例所描述的上述功能可以在硬件、软件、固件或这三者的任意组合来实现。如果在软件中实现，这些功能可以存储与电脑可读的媒介上，或以一个或多个指令或代码形式传输于电脑可读的媒介上。电脑可读媒介包括电脑存储媒介和便于使得让电脑程序从一个地方转移到其它地方的通信媒介。存储媒介可以是任何通用或特殊电脑可以接入访问的可用媒体。例如，这样的电脑可读媒体可以包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、CD-ROM或其它光盘存储、磁盘存储或其它磁性存储装置，或其它任何可以用于承载或存储以指令或数据结构和其它可被通用或特殊电脑、或通用或特殊处理器读取形式的程序代码的媒介。此外，任何连接都可以被适当地定义为电脑可读媒介，例如，如果软件是从一个网站站点、服务器或其它远程资源通过一个同轴电缆、光纤电缆、双绞线、数字用户线(DSL)或以例如红外、无线和微波等无线方式传输的也被包含在所定义的电脑可读媒介中。所述的碟片(disk)和磁盘(disc)包括压缩磁盘、镭射盘、光盘、DVD、软盘和蓝光光盘，磁盘通常以磁性复制数据，而碟片通常以激光进行光学复制数据。上述的组合也可以包含在电脑可读媒介中。
以上所述的具体实施例，对本申请的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本申请实施例的具体实施例而已，并不用于限定本申请的保护范围，凡在本申请的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，包括：
模拟油管，包括直井段油管、造斜段油管和水平段油管；
模拟套管，包括若干个第一接箍，所述直井段油管、所述造斜段油管和所述水平段油管通过所述第一接箍依次相连；
振动激励装置，用于向所述模拟油管及所述模拟套管施加振动激励；
振动传感器组，安装于所述模拟油管上，用于感应所述模拟油管及所述模拟套管的机械振动并将其转换成对应的振动信号；
上位机，与所述振动传感器组电耦合，用于获取所述振动信号并据此确定该振动信号所对应的机械振动在所述模拟油管及所述模拟套管中的传播规律。
2.根据权利要求1所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
模拟扶正器，其套在所述模拟油管上且与所述模拟油管间隙配合。
3.根据权利要求2所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，所述模拟扶正器为若干个第二接箍。
4.根据权利要求1所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
第一电荷放大器，用于将所述振动传感器组获得的振动信号放大后转换成对应的电压振动信号，并将该电压振动信号进行滤波处理。
5.根据权利要求1所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，所述振动激励装置包括：
信号发生器，用于输出激励信号；
功率放大器，用于将所述激励信号放大至设定值；
激振器，用于依据所述功率放大器放大后的激励信号输出对应的振动激励。
6.根据权利要求5所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，该测量振动在管柱中的传播规律的装置还包括：
第二电荷放大器，用于采集输入至所述激振器的激励信号；
对应的，所述上位机依据所述激励信号和所述振动信号来确定该振动信号所对应的机械振动在所述模拟油管及所述模拟套管中的量化传播规律。
7.根据权利要求1所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，所述振动传感器组为若干个加速度传感器。
8.根据权利要求4所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，还包括：
第一A/D转换器，用于将滤波处理后的电压振动信号转换成适于所述上位机处理的数字量。
9.根据权利要求6所述的测量振动在管柱中的传播规律的装置，其特征在于，还包括：
第二A/D转换器，用于将所述第二电荷放大器输出的激励信号转换成适于所述上位机处理的数字量。
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